广西南宁大桥液体粘滞阻尼器设计

1、广西南宁大桥液体粘滞阻尼器设计8世界桥梁 2007年第 4 期 广西南宁大桥液体粘滞阻尼器设计 蒋建军 .蒋劲松（四川省交通厅公路规划勘察设计研究院 ,四川成都 610041）摘要 :广西南宁大桥主桥为主跨 300m 的曲线梁非对称外倾钢箱拱桥 ,属于飘浮体 系.为了改善主桥结构的抗震性能 ,在主梁与肋间平台之间设置了液体粘滞阻尼器 .介绍大桥液体粘滞阻 尼器的设计 .关键词 :拱桥;钢箱拱 ;液体粘滞阻尼器 ;抗震;设计中图分类号：U448.223;U442.55文献标识码:A 文章编号：16717767（2007）04 0008031 工程概况 南宁大桥紧邻南宁市东南郊青秀山风景区 ,北

2、起青山路 ,跨越邕江 ,南接蟠龙新区规划路 .南宁大 桥工程采用双向 6 车道,城市主干路 I 级标准,工程全长1314.77m,其中主桥长300.50m,引桥长434.00m,引道长580.27m桥宽，路基宽均为35m.南宁大桥主桥采用300m跨径曲线梁非对称外 倾拱桥 （非对称肋拱桥 ）,两岸引桥采用预应力混凝 土连续箱梁 ,分别上跨两岸滨江路 （见图 1）.图1南宁大桥效果2 工程场地地震安全性评价 根据广西壮族自治区地震局J二程地震研究中心 2003年10月完成的南宁大桥工程场地地震安全 性评价结论性报告和 2004年6月完成的南宁大 桥工程场地地震安全性评价工作报告 ：场址区的最大历

3、史地震的影响烈度为切度，南宁大桥场地类别 为U类，地震基本烈度定为切度.南宁大桥北岸场 地 5O 年超越概率 63,lO,5,2 的地震基岩水 平向峰值加速度值为 0.14,0.43,0.57,0.806m/s.; 南宁大桥南岸场地 5O 年超越概率 63,10,5, 2%的地震基岩水平向峰值加速度值为 0.14,0.43, 0.58,0.807m/s.3液体粘滞阻尼器设计3.1 液体粘滞阻尼器设计原因 南宁大桥主梁与肋间平台之间采用双向活动钢 支座和侧向抗风支座连接 ,属于飘浮体系 .主桥第阶振型为主梁纵飘，周期为IO.53S,见图2.lf13图 2 主桥第一阶振型 从弹性位移反应谱曲线可以

4、看出 ,当周期小于 3S时，周期越长，对应的位移就越大j.采用反应 谱法分析得到南宁大桥主梁与肋间平台间的相对位 移:5O年超越概率1O时为0.367m;50年超越概 率2时为0.445m.由于地震作用下主梁位移比 伸缩缝容许位移（土 0.16m）大，且为了减小制动力 作用下主梁与肋间平台间的相对位移 ,在南宁大桥 主梁与肋间平台之间设计了液体粘滞阻尼器 ,两岸 设置 2 个,全桥共 4个.南宁大桥液体粘滞阻尼器 组装构造见图 3.3.2液体粘滞阻尼器参数分析 液体粘滞阻尼器的工作特性是 :在温度,收缩和徐变作用下 ,粘滞阻尼器的阻尼力很小 ;在动力反应下 (如地震力和制动力 ),阻尼力随着活

5、塞的运动速收稿日期：2007 0423作者简介 :蒋建军 (1978 一),男,工程师,2001 年毕业于石家庄铁道学院土木工程分 院,工学学士 ,2005年毕业于同济大学桥梁工程系 ,工学 硕士.广西南宁大桥液体粘滞阻尼器设计蒋建军 ,蒋劲松 9锚固锚固螺栓 L2牛腿图3液体粘滞阻尼器组装示惹度增大而增大 .粘滞阻尼器提供的阻尼力可以用下 式描述：FcC.lUl.sgn(u)(1)式中 ,是阻尼系数 ,单位为 kN?(s/m).;U 是粘 滞阻尼器活塞的运动速度 ;a 是阻尼指数 ,表征粘滞 阻尼器的非线性特性，当a 一 1时粘滞阻尼器为线 性，当a 1时为非线性，从桥梁工程的应用来看，阻

6、尼指数口的典型取值在0.351.0范围内z.sgn() 是关于U的符号函数.根据液体粘滞阻尼器的力学特性 ,其主要设计参数为阻尼系数C0和阻尼指数a.在桥梁工程的设计中还要考虑最大阻尼力 F.不同阻尼指数时 阻尼力最大值与速度峰值关系见图 4.图4不I司阻尼指数时阻尼力与速度峰值的关系图4表明，当速度峰值小于1m/s时，阻尼指数 越小,阻尼力越大,阻尼作用越明显 ;当速度峰值大 于1m/s时,阻尼指数越大,阻尼力越大，阻尼作用越明显. 线性粘滞阻尼器的阻尼系数可以根据等效阻尼 比进行初步选取 .因此 ,需要对粘滞阻尼器的等 效阻尼比进行预期的估计 ,一般来说液体粘滞阻尼 器提供的等效阻尼比在2

7、030范围内比较合 适.南宁大桥中粘滞阻尼器的等效阻尼比估计值取 30,阻尼系数C可用下式计算：C12ff60 一 2030kN?s/m 式中,叫为主梁纵飘的圆频率 ;m 为主梁换算质量 （考虑桥面铺装和防撞栏杆等 ）.南宁大桥的主梁两端各设置 2个粘滞阻尼器, 其各自的阻尼系数可初步取 500kN?（s/m）.在 此基础上 ,对有限元分析模型进行非线性时程地震 反应分析 ,对 2个设计参数进行研究 .本文选取 50 年超越概率 2 的 6 组地震波进 行非线性时程反应分析 .液体粘滞阻尼器的阻尼系 数取500kN?（s/m）.,阻尼指数分别取0.35,0.5 和 0.75.6组地震波输入下

8、（纵向+竖向）,有无设置粘 滞阻尼器时主梁与肋间平台之间沿主梁轴线的相对 位移最大值和最小值见图 5.6组地震波输入下 （纵向+竖向） ,液体粘滞阻尼 器的阻尼指数取值不同时 ,其阻尼力最大值见图 6.J J鸯静专姆姆专图5主梁与肋间平台之间的相对位移最值静图 6 阻尼指数取值不同时阻尼力的最大值图5和图6中,N50P22_1表示北岸50年超越概率 2,阻尼比为 2的第 1 组地震波 ;$50P22_1表示南岸 50 年超越概率 2,阻尼 比为 2 的第 1 组地震波 ,其余含义类似 ;500 0.35表示采用的粘滞阻尼器的阻尼系数为 500kN?(s/m),阻尼指数为0.35,其余含义类似从

9、图 5 可看出 :采用液体粘滞阻尼器可有效地 减小主梁与肋间平台之间沿主梁轴线的相对位移 阻尼指数越小 ,主梁与肋间平台间沿主梁轴线的相 对位移越小当阻尼系数为500kN?(s/m)弘，阻 尼指数为 0 . 35时,主梁与肋间平台之间沿主梁轴线 0000000嚼簿靛垦姐厘蔷脒州 蚕姗咖咖脚 至 嚼盟10 世界桥梁 2007年第 4 期 的相对位移比无液体粘滞阻尼器时平均减小约65.从图 6 可以看出 :阻尼指数越大 ,阻尼力越小 , 液体粘滞阻尼器的阻尼效应越不明显 ;阻尼指数越 小,阻尼力越大 ,阻尼作用越明显 .主要原因是主桥 第一阶振型 (纵飘 )的周期较长 ,主梁与肋间平台的 相对速度

10、峰值小于 1m/s.此外,对有无设置液体粘滞阻尼器时 ,主桥拱肋 承台底的剪力和弯矩进行了对比 ,计算结果见图 7 和图 8. 委 _K R :图 蟹 啦 幅J J奄奄鸯奄奄奄 图 7 有无粘滞阻尼器时承台底剪力最大值图 8 有无粘滞阻尼器时承台底弯矩最大值 从图 7和图 8可以看出:采用粘滞阻尼器不会 增加承台底的剪力和弯矩 ;且阻尼指数越小 ,承台底 的剪力和弯矩最大值也越小 .根据上述分析结果 ,粘滞阻尼器的阻尼系数为500kN?(s/m),阻尼指数为0.35时，不仅可以 大大减小主梁与肋间平台沿主梁轴线的相对位移 , 还能减小承台底的剪力和弯矩 .3.3液体粘滞阻尼器参数选取 在设计过

11、程中 ,还对不同的阻尼系数进行过比 较研究 ,发现液体粘滞阻尼器的阻尼系数越大 ,其阻 尼力也越大 ,阻尼效应越明显 .但是,如果阻尼系数 取值过大 ,又会过多地增加造价 ,因此,从技术性和 经济性两方面考虑 ,南宁大桥最后设计的液体粘滞 阻尼器的规格如下 .(1) 阻尼系数 :500kN?(s/m);(2) 阻尼指数 :0.35;(3) 阻尼力 :600kN;(4) 最大额定行程 :160mm. 为了更加形象地阐述设计的液体粘滞阻尼器对 主梁与肋间平台间的相对位移的减小作用 ,图 9 给 出同一组地震波输入下 ,主梁与肋问平台之间的相 对位移时程反应曲线对比结果 .潍翻茛罂g啦厘墨州020.

12、1O.O 0.10.20.3:V051015202530354045时间/s图 9 主梁与肋间平台的相对位移时程曲线4 结语 对于飘浮体系桥梁 ,第一阶振型多为纵飘 ,周期 较长,地震作用下主梁与横梁 （肋间平台 ）的相对位 移较大 ,可能引起落梁等地震灾害 .为了减小地震 作用下主梁与横梁 （肋间平台）的相对位移 ,有效的 处理措施是在其间设置液体粘滞阻尼器 . 结合液体粘滞阻尼器在南宁大桥的应用情况 , 介绍了设计方法 ,并对 2 个主要设计参数阻尼系数 和阻尼指数进行了分析研究 .结果表明 :液体粘滞 阻尼器不仅使主粱与肋间平台的相对位移减小了约 65,还使承台底剪力和弯矩均有减小 .

13、参考文献 :1 普瑞斯特雷MJN,塞勃勒F,卡尔维GM.桥梁抗震 设计与加固 M. 袁万城,胡勃,崔飞,等译.北京: 人民交通出版社 ,1997.2 WenHsiungLin,AnilKChopra.Earthquakeresponse ofelasticSDFsystemswithnonlinearfluidVISCOUS dampersJ.EarthquakeEngineeringandStructuralDy namics,2002,（31）:16231642.（下转第 50 页）50 世界桥梁 2007年第 4 期 AnalysisofStaticBehaviorofCable-?St

14、ayedBridgeUsedwithCFRP CablesandwithSpanLengthGreaterthan1000MetersMEIKui hua, （1.KeyLab.rat.ryf.rBridgesandTunnels.fShanxiProvince,ChanganUniversity,Xian7100 64,China;2.CoilegeofCivilEngineering,SoutheastUnivers,ty,Nanjing210096,China)Abstract:Basedonthegivencalculationexamples,thefiniteelementmeth

15、odsusedtoana- 1yzetheinfluencequantityofvariousnonlinearfactorsofcable stayedbridgeusedwithCFRP (carbonfiberreinforcedplastic)cablesandtheanalysisoftheinfluencequantitYsc0mparedt othatofthecab1e stayedbridgeusedwithsteelcables.InconsiderationthatthelnearexPanson coeffjcients0ftheCFRParefarlessthanth

16、oseofthesteelandconcrete,thestatcforceresPon sesoffourkindsofcable stayedbridgesofdifferentstructuralsystemsrespectivelyusedwthtne CRFPandsteelcablesundertemperatureloadarecalculated.Theresultsofcalculatonindicat ethatinasDectofthestaticforce,thecable stayedbridgeusedwiththeCFRPcableshasmoread- vant

17、agesthanthoseofthebridgeusedwiththesteelcables.Kevwords:cable stayedbridge;finiteelementmethod;carbonfiberreinforcedplastic;geometricnonlinearity;temperatureeffect ,m,m,.,.m,m, (上接第 10 页)DesignofFluidViscousDampersforNanningBridgeinGuangxi IANGdian-jun,JIANGdingsong (HighwayPlanning,Survey,DesignandResearchInstitute,Department 0fC0mmunications,SichuanProvince,Chengdu610041,China) Abstract:ThemainbridgeofNanningBridgeinGuangxi,structurallyakindofl.tmgY 一 tem,isacurvedgrderarchbridgewithamainspan300mandwithasymmetr.csteelboxarch ribsin